産品特色
內容簡介
《分子間與錶麵力》詳細闡述、解釋和演繹瞭物理學、化學、化學工程學及生物學等學科領域與“分子間力和錶麵力”密切相關的諸多現象,以及過去50多年在“分子間力和錶麵力”理論基礎和應用研究方麵所取得的巨大進展。《分子間與錶麵力》共三個部分,第一部分論述原子和分子間力,第二部分論述粒子和錶麵間力,第三部分論述自組裝結構和生物係統。
作者簡介
J.N.伊斯雷爾奇維利,1944年齣生於以色列特拉維夫市。1971年獲劍橋大學博士學位,現任加州大學聖巴巴拉分校化學工程係和材料係教授,長期從事分子間力和錶麵力、膠體分散體係、流變學和摩擦學錶麵研究。曾獲Alpha Chi Sigma化工研究奬(美國)、黏附學會的黏附科學卓越奬、材料研究協會奬(黏附與摩擦領域)、美國化學學會國傢奬(膠體和錶麵化學領域)、美國化工學會沃剋奬(化學工程刊物卓越奬)、摩擦學金奬。在2008年,被美國化工學會提名為“百名現代化學工程師”之一。
目錄
目錄
《納米科學與技術》叢書序
翻譯版序
譯者序
第三版序
第二版序
第一版序
Jacob Israelachvili傳記
單位、符號、有用的量和關係
定義和術語
第一部分 原子和分子間力
第1章 曆史迴顧 3
1.1 自然界存在的四種力 3
1.2 希臘和中世紀關於分子間力的認識 3
1.3 17世紀:早期科學時期 5
1.4 18世紀:睏惑、矛盾和爭論 7
1.5 19世紀:連續理論與分子理論之爭 7
1.6 分子間力——規律和相互作用勢:長程力和短程力 8
l 首個成功的唯象理論 11
1.8 分子尺寸的首次估計 14
1.9 20世紀:瞭解簡單係統 14
1.10 近期發展趨勢 15
問題與討論 17
第2章 分子間力的熱力學和統計力學 21
2.1 自由空間和介質中的分子間相互作用 21
2.2 自我能與二體勢 22
2.3 玻爾茲曼分布和化學勢 24
2.4 平衡係統中的分子和粒子分布 25
2.5 範德華狀態方程(E()S) 27
2.6 用熱能kT作為標準來估計相互作用的強度 29
2.7 力和二體勢的分類 31
2.8 多分子係統的理論性分析:連續性方法或分子方法 33
2.9 計算機模擬的分子方法:濛特卡羅(MC)和分子動力學(MD) 34
2.10 牛頓定律在二體碰撞中應用 35
2.11 多重碰撞的動力學和統計力學:玻爾茲曼分布 40
問題與討論 46
第3章 強分子間力:共價相互作用與庫侖相互作用 48
3.1 共價鍵(化學鍵力) 48
3.2 物理鍵和化學鍵 49
3.3 庫侖力或者電荷電荷之間的相互作用,高斯規則 49
3.4 離子晶體 53
3.5 參考態 54
3.6 靜電力的範圍 54
3.7 離子的玻恩能 55
3.8 離子在不同溶劑中的溶解度 56
3.9 特殊離子溶劑作用:連續性方法 59
3.10 分子方法:計算機模擬和多體係統的積分方程 60
問題與討論 62
第4章 極性分子間相互作用 64
4.1 什麼是極性分子 64
4.2 極性自我能 66
4.3 離子偶極相互作用 66
4.4 極性溶劑中的離子 70
4.5 水中強的離子-偶極相豆作用:水閤離子 71
4.6 溶解力、結構力和水閤力 73
4.7 偶極-偶極相互作用 74
4.8 磁偶極 75
4.9 氫鍵 75
4.10 鏇轉偶極和角平均勢 76
4.11 熵效應 78
問題與討淪 79
第5章 與分子極化有關的相互作用 82
5.1 原子與分子的極化率 82
5.2 極性分子的極化率 83
5.3 其他極化機理和極化對靜電相互作用的影響 85
5.4 離子和中性分子之間的相互作用 86
5.5 離子溶劑分子相互作用和玻恩能 88
5.6 偶極誘導偶極間相互作用 89
5.7 極化相互作用的統 90
5.8 溶劑化效應與“超額極化率” 90
問題與討論 95
第6章 範德華力 96
6.1 中性分子間範德華色散力的起源:London方程 96
6.2 色散力的強度:範德華固體和液體 98
6.3 範德華狀態方程 101
6.4 三維及二維體係的氣-液、液固相轉變 103
6.5 極性分子間範德華力 105
6.6 分子間範德華力的基本理論 107
6.7 介質中的範德華力 109
6.8 分子在介質中的色散自我能 113
6.9 範德華力的深入層麵:各嚮異性(取嚮),非相加性(多體)和延遲效應 114
6.9.1 色散力的各嚮異性 114
6.9.2 範德華力和多體效應的非疊加性 115
6.9.3 延遲效應 116
問題與討論 116
第7章 空間斥力、全分子間二體勢和液體結構 119
7.1 原子、分子和離子的尺寸 119
7.2 排斥勢 121
7.3 全分子間二體勢:形式、量級和範圍 122
7.4 斥力在非共價鍵結閤的固體中的作用 126
7.5 固體中分子和粒子的堆積 127
7.6 斥力在液體中的作用:液體的分子結構 130
7.7 液體結構對分子間力的影響 132
問題與討論 133
第8章 特殊的相互作用:氫鍵、疏水和親水相互作用 135
8.1 水的獨特性質 135
8.2 氫鍵 136
8.3 水與締閤液體的模型 139
8.4 不同類型相互作用的相對強度 140
8.5 疏水效應 141
8.6 疏水相互作用 144
8.7 親水相互作用 146
問題與討論 148
第9章 非平衡和與時間相關的相互作用 150
9.1 與時間和速率相關的相互作用和過程 150
9.2 與速率和時間相關的脫離(剝離)力 151
9.3 分子碰撞時的能量轉移(耗散):Deborah數 155
9.4 結閤脫離過程中的能量轉移 158
9.5 復雜過程中時間、溫度與速度(速率)之間的關係 162
問題與討論 165
第二部分 粒子和錶麵間力
第10章 分子間力和粒子間力的統一概念 171
10.1 介質中相似分子或粒子的締閤作用 171
10.2 介質中相互接近的相似錶麵:錶麵能和界麵能 175
10.3 第三介質中不同分子、粒子或錶麵的結閤 177
10.4 粒子錶麵與粒子-界麵的相互作用 178
10.5 吞噬和排齣 179
10.6 吸附錶麵膜:潤濕和非潤濕 180
問題與討論 182
第11章 分子間力、粒子間力及錶麵間力的比較 184
11.1 力的短程和長程效應:定性區分粒子間相互作用與小分子間
相互作用 184
11.2 宏觀物體間的相互作用勢 187
11.2.1 分子錶麵相互作用 187
11.2.2 球平而和球球相互作用 187
11.2.3 錶麵-錶麵相互作用 189
11.3 兩球體的有效相互作用麵積:Langbein近似 189
11.4 粒子間相互作用與原子間或小分子間相互作用的比較 190
11.4.1 粒子間相互作用勢能的尺寸效應 190
11.4.2 錶層深度或錶麵積比體積縮放效應 190
11.4.3 動力學和非平衡效應 192
11.5 相互作用能與相互作用力:Derjaguin近似 192
11.6 “體積力”和“錶麵力” 196
問題與討論 197
第12章 力的測量方法 200
12.1 分子間力、粒子間力和錶麵力的直接與間接測量 200
12.2 不同直接測量力的方法 202
12.3 直接測量力的機理及相關問題 206
12.4 力-距離函數F(D)的測量 210
12.5 不穩定性 211
12.5.1 力學不穩定性 211
12.5.2 能量不穩定性 212
12.5.3 熱力學不穩定性 212
12.6 黏附力和能最的測量 212
12.7 宏觀錶麵間力的測量:SFA,OP/OS等相關方法 214
12.7.1 錶麵力儀 214
12.7.2 滲透壓強或滲透壓力的測試方法 218
12.8 測量微觀(膠體)和納米粒子間相互作用力的方法:AFM和TIRM 219
12.8.1 原子力顯微鏡 219
12.8 .2 全內反射熒光顯微鏡 220
12.9 測量單分子和單鍵相互作用的方法:OT和MC方法 222
12.9.1 光鑷或光學捕集 222
12.9.2 微懸臂梁 223
問題與討論 223
第13章 粒子與錶麵間的範德華力 225
13.1 不同幾何形狀物體間的範德華作周力規律:Hamaker常量 225
13.2 真空或空氣中物體間範德華力的強度 227
13.3 範德華力的Lifshitz理論 228
13.4 粒子錶麵相互作用 231
13.5 基於IJifshitz理論計算的非阻滯Hamaker常量 232
13.6 導電介質間的範德華力 233
13.7 真空或空氣中相互作用Hamaker常量的理論值和實驗值 234
13.8 Lifshitz理論在介質中相互作用上的應用 236
13.9 排斥性的範德華力:分離壓和潤濕膜 239
13.10 較大間距下的範德華力:阻滯效應 242
13.11 電解質溶液中的靜電屏蔽 244
13.12 結閤關係 245
13.13 錶麵能和黏附能 216
13.14 金屬的錶麵能 251
13.15 有吸附層的錶麵間作用力 252
13.16 有關範德華力的實驗 253
問題與討論 255
第14章 液體中錶麵間的靜電作用力 260
14.1 液體中的錶麵荷電:“雙電層” 260
14.2 水中的電荷錶麵:沒有額外的電解質——“隻有反號離子” 261
14.3 泊鬆玻爾茲曼(PB)方程 262
14.4 錶麵處的錶麵電荷、電場強度和反號離子濃度:“接觸”值 263
14.5 遠離錶麵的反號離子濃度麯綫 264
14.6 離子分布、電場、錶麵勢和壓強的根源 266
14.7 水中兩個荷電錶麵之間的壓強:接觸值理論 268
14.8 大間距的極限:厚潤濕膜 271
14.9 小間距的極限:滲透極限和電荷調節 273
14.10 電解質溶液中的帶電錶麵 274
14.11 Grahame方程 276
14.12 孤立錶麵的錶麵電荷和電勢 277
14.13 二價離子的影響 279
14.14 德拜(Debye)長度 280
14.15 遠離錶麵的電勢*和離子濃度ρx的變化 280
14.16 備種粒子錶麵間的雙電層相互作用力和能量 282
14.17 恒定電荷和恒定電勢相互作用的精確解:電荷調節 286
14.18 非對稱錶麵 288
14.19 離子凝聚和離子關聯作用力 290
14.20 更復雜的體係:有限容器體係和有限離子尺寸效應 292
14.21 範德華力和雙電層力同時作用:DLVO理論 293
14.22 雙電層力和DLVO力的實驗測量 298
14.23 動電力 301
14.24 離散錶麵電荷和偶極 301
問題與討淪 304
第15章 溶劑化、結構化和水化作用力 307
15.1 非DLVO力 307
15.2 錶麵、界麵和薄膜中的分子排序 308
15.3 球形分子在兩個平滑(非結構)錶麵間的有序排列 310
15.4 結構錶麵間非球形分子的有序性 312
15.5 主要類型的溶劑化力的來源:振蕩力 314
15.6 擁塞 319
15.7 振蕩力的實驗測量和性質 320
15.8 水溶液中溶劑化力:單調的排斥性水閤力 325
15.9 水溶液中溶劑化力:吸引性的“疏水”力 334
問題與討論 342
第16章 空間(聚閤物媒介)及熱漲落力 344
16.1 液體中的擴散界麵 344
16.2 溶液中與錶麵處的聚閤物狀態 344
16.3
前言/序言
物質世界中的隱形之手:探討凝聚態物質的結構與行為 圖書簡介: 本書旨在深入剖析凝聚態物質的微觀結構、熱力學性質及其宏觀現象背後的基本物理原理。我們將避開對傳統“分子間與錶麵力”的直接探討,而是將視角聚焦於構成物質的原子、電子、晶格振動(聲子)、以及電子在固體內部的集體激發行為。本書的核心目標是為讀者構建一個堅實的理論框架,理解材料從原子尺度到宏觀特性的演變規律。 第一部分:固體物理基礎——晶體結構與電子能帶 第一章:晶體結構與晶格幾何 本章首先迴顧晶體周期性的基本概念,包括布拉菲點陣、晶體學符號(如米勒指數)的應用。我們將詳細討論常見晶體結構,如麵心立方(FCC)、體心立方(BCC)和六方密堆積(HCP)的幾何構型,並引入倒易點陣的概念。倒易點陣作為描述晶體衍射現象的數學工具至關重要,我們將探討其在傅裏葉空間中對周期性勢場響應的意義。隨後,重點分析晶體缺陷,如點缺陷(空位、間隙原子、取代原子)和綫缺陷(位錯)對材料力學性能的決定性影響。我們將建立缺陷濃度與溫度之間的統計力學關係,為後續討論相變和擴散過程打下基礎。 第二章:晶格振動與聲子 固體內部的原子並非靜止不動,而是以晶格振動的形式存在。本章係統地介紹晶格動力學,從一維綫性原子鏈模型齣發,推導齣色散關係。通過引入周期性邊界條件,我們將解析齣聲學支與光學支,並解釋它們在熱容、熱導率中的不同貢獻。隨後,將理論擴展至三維晶體,闡述布裏淵區(Brillouin Zone)的概念及其重要性。聲子——晶格振動的量子化形式——是理解熱傳遞機製的關鍵。本章將詳細闡述聲子-聲子散射(三聲子和四聲子過程)如何限製材料的熱導率,並引入德拜模型和普朗剋分布來精確描述低溫和高溫下的比熱容。 第三章:電子的本徵行為——周期性勢場與能帶理論 在周期性的晶格勢場中,自由電子的行為被完全改變。本章是凝聚態物理的基石。我們將從薛定諤方程在周期性勢場下的應用(Bloch定理)開始,推導齣電子的能量必須被限製在特定的能帶中,而禁帶的齣現是材料具有半導體或絕緣體特性的根本原因。通過緊束縛模型(Tight-Binding Model)和近自由電子模型(Nearly Free Electron Model),我們將計算並可視化不同晶格結構下的能帶結構圖。本章將深入探討布裏淵帶的拓撲結構,解釋能帶結構的開口與閉閤如何決定金屬的導電性。 第二部分:電子的集體行為與輸運現象 第四章:半導體物理與能帶工程 本章聚焦於能帶理論在半導體材料中的具體體現。我們將詳細分析本徵半導體的費米能級位置,並引入摻雜的概念——施主和受主雜質如何精確調控材料的導電類型(n型或p型)。通過求解少數載流子和多數載流子的濃度分布,我們將建立起電導率與載流子遷移率之間的關係。隨後,我們將探討半導體中的重要現象,如光生載流子、復閤機製(俄歇復閤、輻射復閤),以及PN結的形成和二極管的伏安特性麯綫。本章的重點在於展示如何通過材料的晶體結構和摻雜實現對電子輸運的精確控製。 第五章:電子的輸運性質與散射機製 電子在晶體中並非自由傳播,其輸運性質主要受限於各種散射機製。本章係統分析電子的散射源,包括晶格缺陷、雜質原子以及電子-聲子相互作用。我們將應用玻爾茲曼輸運方程(Boltzmann Transport Equation)來描述外加電場和磁場下電子的平均自由路徑和弛豫時間。通過解釋德魯德模型(Drude Model)的局限性,我們將引入更精確的能帶模型來計算電阻率隨溫度的變化,特彆是低溫下電子與雜質散射主導的殘餘電阻。本章還將涵蓋霍爾效應的物理機製及其在測量載流子濃度和磁阻中的應用。 第六章:磁性材料的基礎理論 本章探討電子的自鏇自由度如何在凝聚態係統中産生宏觀磁性。我們將從朗之萬理論齣發,區分順磁性、抗磁性與鐵磁性的微觀根源。重點分析海森堡交換作用(Heisenberg Exchange Interaction)如何導緻相鄰磁矩的平行或反平行排列。我們將深入闡述布洛赫(Bloch)的鐵磁性理論,解釋磁疇的形成以及磁化強度的溫度依賴性。隨後,我們將引入釘紮效應、磁滯迴綫(Hysteresis Loop)的測量與分析,為理解磁存儲技術提供理論基礎。 第三部分:超越平衡態——相變與熱力學響應 第七章:相變的熱力學與統計力學描述 材料的宏觀性質在特定溫度或壓力下會發生劇變,即相變。本章運用統計力學工具來處理相變問題。我們將區分一級相變(如熔化、沸騰)和二級相變(如居裏轉變)。重點介紹朗道(Landau)的相變理論,該理論通過定義序參量(Order Parameter)來描述相變過程,並利用對稱性破缺來解釋相變的物理圖像。我們將分析臨界指數(Critical Exponents)的概念,並探討平均場理論(Mean-Field Theory)在描述相變中的優勢與局限。 第八章:熱力學激發與動力學響應 材料對外界擾動的響應構成瞭其動力學特性。本章將討論在非平衡態下材料的響應函數,例如介電響應函數和磁化率。我們將利用綫性響應理論(Kubo公式的簡化形式)來聯係微觀的弛豫時間和宏觀的輸運係數。重點討論等離激元(Plasmon)和極化激元(Polariton)等集體激發模式,它們是材料在電磁場作用下錶現齣的集體振動。通過對這些激發模式的分析,讀者可以理解介電常數和摺射率的頻率依賴性,這對於光學材料的設計至關重要。 第九章:結構弛豫與弛豫過程 本章關注係統中能量耗散和係統趨於平衡的過程,特彆是針對無序或非晶態係統。我們將討論弛豫時間的概念及其在粘彈性行為中的體現。通過引入時間-溫度等效原理(Time-Temperature Superposition Principle),我們將解釋玻璃化轉變(Glass Transition)的動力學性質,即為什麼高分子或非晶態固體在低於玻璃化轉變溫度時錶現齣近乎固體的特性,而在轉變區附近其粘滯性對溫度異常敏感。我們將分析擴散方程在描述原子或分子在非晶基體中運動時的修正形式。 結語: 本書通過對晶格動力學、電子能帶結構、輸運理論和集體激發態的係統性闡述,旨在提供一個全麵的框架,用以理解材料的內在物理機製,而非僅僅停留在界麵現象的描述上。掌握這些基礎知識,是進一步深入研究高熵閤金、拓撲絕緣體、或復雜電子體係的必要前提。